基于端面振動(dòng)測(cè)量的機(jī)械密封摩擦學(xué)行為試驗(yàn)研究

宋運(yùn)鋒, 王慶鋒*, 李 華, 舒 悅, 肖 旺

(1.北京化工大學(xué) 壓縮機(jī)技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100029;2.國(guó)家管網(wǎng)集團(tuán)研究總院, 河北 廊坊 065000;3.合肥通用機(jī)械研究院, 安徽 合肥 230000;4.國(guó)家管網(wǎng)集團(tuán)聯(lián)合管道有限責(zé)任公司西部分公司, 新疆 烏魯木齊 830013)

機(jī)械密封失效是造成設(shè)備故障的主要原因之一，離心泵維修費(fèi)大約有70%用于密封故障維修[1].過早更換密封件會(huì)增加生產(chǎn)成本，反之會(huì)因失效而造成安全隱患.為了保證工業(yè)生產(chǎn)的連續(xù)性和安全性，同時(shí)降低生產(chǎn)成本，需要對(duì)機(jī)械密封端面進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，了解密封的運(yùn)行狀態(tài)[2-4].

機(jī)械密封正常工作時(shí)，由于密封介質(zhì)、內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作條件(轉(zhuǎn)速、介質(zhì)、壓力等)的不同，機(jī)械密封可能會(huì)經(jīng)歷邊界潤(rùn)滑、混合潤(rùn)滑和流體動(dòng)力潤(rùn)滑這3種不同的摩擦學(xué)狀態(tài).對(duì)于機(jī)械密封摩擦學(xué)行為，常見的測(cè)試方法有端面溫度[5]、端面膜厚[6-7]、端面膜壓[8]、端面摩擦扭矩[9-10]以及聲發(fā)射[11]等測(cè)量方法.受機(jī)械密封空間結(jié)構(gòu)的限制，以上摩擦學(xué)行為測(cè)試方法很難應(yīng)用到工程實(shí)踐中.

機(jī)械密封在運(yùn)行過程中，端面振動(dòng)信號(hào)蘊(yùn)含著大量的摩擦學(xué)狀態(tài)信息，端面液膜厚度、液膜壓力、接觸力和泄漏量等的變化與密封環(huán)的振動(dòng)直接相關(guān)，劇烈振動(dòng)還可能導(dǎo)致端面磨損加劇影響使用壽命[12-13].有學(xué)者研究了機(jī)械密封的殼體振動(dòng)加速度測(cè)量方法[14]，但采集信號(hào)更多的受到轉(zhuǎn)速、軸承和轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的影響而不是摩擦學(xué)行為影響.

本文中旨在提出1種基于端面振動(dòng)加速度測(cè)量機(jī)械密封摩擦學(xué)行為的方法，提取端面摩擦學(xué)行為敏感振動(dòng)特征參數(shù)，研究振動(dòng)敏感特征參數(shù)隨機(jī)械密封摩擦學(xué)狀態(tài)演變的規(guī)律，建立機(jī)械密封性能退化評(píng)價(jià)準(zhǔn)則，為機(jī)械密封預(yù)測(cè)性維修提供技術(shù)支撐.

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

如圖1(a)所示，設(shè)計(jì)并搭建了機(jī)械密封摩擦學(xué)行為測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)，包括機(jī)械密封組件、變頻調(diào)速系統(tǒng)、潤(rùn)滑系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)以及傳感器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng).機(jī)械密封組件作為整個(gè)試驗(yàn)臺(tái)的核心試驗(yàn)部件，主要由機(jī)械密封(主)、機(jī)械密封(輔)和密封試驗(yàn)腔體組成.為了確保試驗(yàn)臺(tái)的工程應(yīng)用性，使用了ZLM IP 530/06型輸油泵的工業(yè)機(jī)械密封，而不僅僅是1對(duì)盤式密封摩擦副；密封副材料為SIC-SIC，密封介質(zhì)采用渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)航空潤(rùn)滑油.

如圖1(b)所示，機(jī)械密封(主)為單端面接觸式機(jī)械密封，其由動(dòng)環(huán)、靜環(huán)、推環(huán)和腔體等組成.機(jī)械密封(輔)與機(jī)械密封(主)結(jié)構(gòu)相同，其主要作用是防止密封介質(zhì)泄漏到電機(jī)側(cè)；主、輔密封背靠背布置，可以起到平衡軸向力的作用.如圖1(c)所示，4支熱電偶傳感器埋設(shè)于機(jī)械密封(主)靜環(huán)背部直徑為2 mm的盲孔內(nèi)，2支三軸加速度傳感器鑲嵌于機(jī)械密封(主)靜環(huán)背部的槽內(nèi).

潤(rùn)滑系統(tǒng)包括循環(huán)油泵、油箱、調(diào)節(jié)閥及附屬管線，循環(huán)油泵將航空潤(rùn)滑油從油箱中輸送到密封腔體，使用調(diào)節(jié)閥對(duì)密封腔體壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)并維持設(shè)定壓力，潤(rùn)滑油將摩擦副產(chǎn)生的熱量帶走并返回到油箱.冷卻系統(tǒng)包括風(fēng)冷式冷水機(jī)、油箱冷卻盤管、閥門及管線等，循環(huán)冷卻水用于冷卻潤(rùn)滑油及變頻電機(jī)殼體.

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由NI 9234數(shù)據(jù)采集卡、NI 9213數(shù)據(jù)采集卡、熱電偶溫度傳感器、壓電式三軸加速度傳感器和LabVIEW虛擬儀器等組成.數(shù)據(jù)采集卡的采樣時(shí)間設(shè)定為為1 s，采樣頻率設(shè)定為為25.6 Hz，每個(gè)數(shù)據(jù)文件包含25 600個(gè)加速度和溫度采樣點(diǎn)，每隔10 s記錄1組數(shù)據(jù)文件以利用LabVIEW虛擬儀器完成加速度時(shí)域分析和頻域分析.

變頻調(diào)速系統(tǒng)主要包括變頻調(diào)速三相異步電動(dòng)機(jī)、變頻器及控制臺(tái).變頻調(diào)速三相異步電動(dòng)機(jī)額定頻率為100 Hz，功率為40 kW，電壓為380 V.通過控制臺(tái)對(duì)變頻器進(jìn)行調(diào)節(jié)，可以實(shí)現(xiàn)三相異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在0~6 000 r/min的連續(xù)變化.

1.2 機(jī)械密封端面磨損變化時(shí)端面振動(dòng)加速度數(shù)據(jù)采集試驗(yàn)

一般情況下機(jī)械密封失效時(shí)間最短為6個(gè)月[15]，完成機(jī)械密封“運(yùn)轉(zhuǎn)到泄漏”退化周期的摩擦學(xué)行為試驗(yàn)需要時(shí)間較長(zhǎng).在摩擦副運(yùn)行工況穩(wěn)定且潤(rùn)滑條件較好的情況下，短時(shí)間內(nèi)完成機(jī)械密封性能退化摩擦學(xué)行為試驗(yàn)存在困難.為了在較短時(shí)間內(nèi)完成機(jī)械密封“運(yùn)轉(zhuǎn)到泄漏”退化試驗(yàn)，采用1個(gè)嶄新的動(dòng)環(huán)和3個(gè)在輸油泵站長(zhǎng)期應(yīng)用且磨損程度不同的動(dòng)環(huán)來代替機(jī)械密封性能退化的4個(gè)階段.

按照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《機(jī)械密封 第1部分：技術(shù)條件》 (JB/T4127.1-2013)規(guī)定，機(jī)械密封主要零件的使用技術(shù)要求為硬質(zhì)材料密封端面表面粗糙度Ra應(yīng)不大于0.2 μm.測(cè)量范圍Ra為0.05~15.00 μm的便攜式表面粗糙度儀TR 100滑動(dòng)測(cè)量4個(gè)動(dòng)環(huán)的表面粗糙度值列于表1中，4個(gè)動(dòng)環(huán)的外貌照片如圖2所示.用光學(xué)影像測(cè)量?jī)x測(cè)得4個(gè)動(dòng)環(huán)的表面形貌照片如圖3所示，按端面磨損程度升序命名為1#、2#、3#和4#動(dòng)環(huán)，代表端面性能退化的第I、II、III和IV階段；4#動(dòng)環(huán)端面粗糙度0.32 μm，按照J(rèn)B/T 4127.1-2013行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)該判定為失效狀態(tài)密封環(huán).

表1 動(dòng)環(huán)表面粗糙度測(cè)量值Table 1 Surface roughness measurement value of rotating ring

Fig.2 Rotation ring exterior diagram: (a) 1#, (b) 2#, (c) 3# and (d) 4#圖2 動(dòng)環(huán)外貌照片：(a) 1#，(b) 2#，(c) 3#，(d) 4#

Fig.3 Rotation ring surface micrographs: (a) 1#, (b) 2#, (c) 3# and (d) 4#圖3 動(dòng)環(huán)表面形貌的影像照片：(a) 1#，(b) 2#，(c) 3#，(d) 4#

機(jī)械密封端面磨損的振動(dòng)加速度數(shù)據(jù)采集試驗(yàn)工況為轉(zhuǎn)速均3 000 r/min，試驗(yàn)腔體壓力恒定為0.2 MPa，4個(gè)性能退化階段運(yùn)行時(shí)間均為3.5 h.機(jī)械密封端面磨損變化時(shí)端面振動(dòng)加速度數(shù)據(jù)采集試驗(yàn)采集的數(shù)據(jù)信息列于表2中.每個(gè)階段采集靜環(huán)端面軸向(Z)、徑向(Y)和切向(X)3個(gè)方向的振動(dòng)加速度數(shù)據(jù)，4個(gè)性能退化階段共采集12組數(shù)據(jù).

表2 定轉(zhuǎn)速試驗(yàn)樣本信息Table 2 Constant speed test sample information

1.3 機(jī)械密封轉(zhuǎn)速變化時(shí)端面振動(dòng)加速度數(shù)據(jù)采集試驗(yàn)

機(jī)械密封轉(zhuǎn)速變化的端面振動(dòng)加速度數(shù)據(jù)采集試驗(yàn)設(shè)計(jì)為5個(gè)階段，轉(zhuǎn)速分別為1 000、1 150、1 350、1 650和2 100 r/min，每個(gè)階段持續(xù)時(shí)間為2 h，試驗(yàn)腔體壓力恒定0.4 MPa，采用1對(duì)嶄新的動(dòng)環(huán)和靜環(huán)進(jìn)行試驗(yàn)，每個(gè)階段采集密封環(huán)軸向(Z)、徑向(Y)和切向(X) 3個(gè)方向的數(shù)振動(dòng)數(shù)據(jù)，5個(gè)轉(zhuǎn)速階段共采集15組數(shù)據(jù).機(jī)械密封轉(zhuǎn)速變化的摩擦學(xué)行為試驗(yàn)采集的數(shù)據(jù)列于表3中.

表3 變轉(zhuǎn)速試驗(yàn)樣本信息Table 3 Variable speed test sample information

2 端面性能退化振動(dòng)加速度敏感特征指標(biāo)構(gòu)建

2.1 端面振動(dòng)特征參數(shù)提取

基于表2采集的機(jī)械密封端面磨損變化時(shí)的端面振動(dòng)加速度數(shù)據(jù)，提取端面振動(dòng)信號(hào)的統(tǒng)計(jì)量特征和熵特征.各特征值的計(jì)算方法列于表4中[16].

表4 時(shí)域、頻域和熵計(jì)算方法Table 4 Time domain, frequency domain and entropy calculation method

(1) 時(shí)域特征可以直接表征信號(hào)隨著時(shí)間的變化，單一特征無法準(zhǔn)確表征密封端面的摩擦學(xué)狀態(tài)，本文中采用F1~F18共18種時(shí)域特征信號(hào)對(duì)密封端面摩擦學(xué)狀態(tài)進(jìn)行表征，其中有量綱指標(biāo)F1~F12共12個(gè)，無量綱指標(biāo)F13~F18共6個(gè).

頻域分析是設(shè)備狀態(tài)分析領(lǐng)域中最常用也是最重要的手段之一，本文中對(duì)F19~F22共4個(gè)頻域特征進(jìn)行分析.

(2) “熵”泛指設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的1種量度，以及某些設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)可能出現(xiàn)的程度[17].經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解、小波包分解和變分模態(tài)分解方法[18]已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)設(shè)備狀態(tài)評(píng)估中；熵可以反映出振動(dòng)信號(hào)的信息量和復(fù)雜度，熵越大，不確定性越大，復(fù)雜性越大.

基于小波包分解方法，對(duì)分解信號(hào)進(jìn)行熵特征提取.通過提取F23小波包能量熵以表征信號(hào)在不同尺度上的能量分布，提取F24小波奇異熵以表征原始信號(hào)的復(fù)雜程度.首先，應(yīng)用變分模態(tài)分解(VMD)方法提取分解信號(hào)的熵特征，變模態(tài)分解的模態(tài)個(gè)數(shù)K設(shè)置為3；然后，計(jì)算各分量的樣本熵、信息熵、排列熵、模糊熵和散布熵.采用上述方法提取的密封端面振動(dòng)信號(hào)的熵特征列于表5中.

表5 熵特征Table 5 Entropy characteristics

建立1個(gè)高維特征集來表征機(jī)械密封端面摩擦學(xué)狀態(tài)，在特征值篩選和去除冗余不敏感特征的基礎(chǔ)上，構(gòu)建1個(gè)多維敏感特征子集，探索從不同維度表征機(jī)械密封摩擦學(xué)狀態(tài)信息.

2.2 端面振動(dòng)敏感特征參數(shù)篩選

用合適的端面振動(dòng)特征參數(shù)表征密封端面的摩擦學(xué)特性，可以掌握其摩擦磨損過程中的變化規(guī)律[19].特征選擇的目的是在不犧牲摩擦學(xué)狀態(tài)表征精度的前提下去除冗余和無用特征.信號(hào)中包含著有效信號(hào)與干擾信號(hào)，從信號(hào)中提取有效信號(hào)必須要用到各種有效的信號(hào)處理方法[20].當(dāng)機(jī)械密封運(yùn)行過程中摩擦學(xué)狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，密封端面振動(dòng)信號(hào)與正常工作振動(dòng)信號(hào)會(huì)產(chǎn)生一定差異，時(shí)域特征通常反映振動(dòng)信號(hào)的能量信息，頻域特征通常反映信號(hào)的周期信息.因此，對(duì)機(jī)械密封性能進(jìn)行摩擦學(xué)狀態(tài)表征的充要條件是選取和構(gòu)建合適的特征指標(biāo).摩擦學(xué)狀態(tài)表征的第一步是構(gòu)建敏感特征指標(biāo)集，理想特征指標(biāo)應(yīng)具有單調(diào)性、相關(guān)性和魯棒性3個(gè)關(guān)鍵性質(zhì)[21-22].

(1) 單調(diào)性

單調(diào)性常作為設(shè)備健康指數(shù)與摩擦學(xué)狀態(tài)一致性的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[23]，取值范圍為[0, 1].在機(jī)械密封摩擦學(xué)行為變化過程中，若指標(biāo)與時(shí)間呈正比或反比，其單調(diào)性為1；若指標(biāo)變化趨勢(shì)不明顯，其單調(diào)性為0.單調(diào)性計(jì)算公式如式(1)所示[21].

式中，mon表示單調(diào)性指數(shù)，X=(x1,x2,···,xn)是健康指數(shù)時(shí)間序列，為單位階躍函數(shù)，n為健康指數(shù)總樣本數(shù).

(2) 相關(guān)性

相關(guān)性能夠反應(yīng)該特征指標(biāo)對(duì)于同類設(shè)備的普適性[23]，取值范圍為[0, 1].相關(guān)程度越高，取值越靠近1，表征效果越明顯；反之越低.相關(guān)性用式(2)來表示[21].

式中， Coor 表示相關(guān)性指數(shù)，X=(x1,x2,···,xn)為某種性能退化指標(biāo)序列，T=(t1,t2,···,tn)為相應(yīng)的監(jiān)測(cè)指標(biāo)時(shí)間序列.

(3) 魯棒性

魯棒性反映摩擦學(xué)狀態(tài)表征指標(biāo)對(duì)干擾的魯棒性[23]，取值范圍為[0, 1]，取值越大,其魯棒性越好.魯棒性可用式(3)來表示[21].

(4) 敏感度

基于機(jī)械密封摩擦學(xué)狀態(tài)表征指標(biāo)的單調(diào)性、相關(guān)性和魯棒性特性構(gòu)建敏感度指標(biāo)，作為摩擦學(xué)狀態(tài)表征指標(biāo)優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù).對(duì)敏感度指標(biāo)進(jìn)行排序即可篩選敏感特征指標(biāo).敏感度可用式(4)來表示[24].

式中，Sens為敏感度指標(biāo)，wi為單個(gè)摩擦學(xué)狀態(tài)表征指標(biāo)的屬性權(quán)重，因其本身特性不同，賦予不同的屬性權(quán)重.為消除人為因素的影響，本文中選用熵權(quán)法分配屬性權(quán)重.

熵權(quán)法首先計(jì)算摩擦學(xué)狀態(tài)表征指標(biāo)的變化程度，依據(jù)變化程度大小確定客觀權(quán)重[25].某個(gè)摩擦學(xué)狀態(tài)指標(biāo)的信息熵Ei越小，表明指標(biāo)值的變化程度越大，信息越多，在監(jiān)測(cè)中越重要，權(quán)重越大；反之，則表明該指標(biāo)在綜合評(píng)價(jià)中重要性略差，其權(quán)重越小.假設(shè)有m個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)、n個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象的實(shí)際數(shù)據(jù)，將其歸一化后轉(zhuǎn)變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)，定義其第i個(gè)指標(biāo)的熵為

將式(6)代入式(4)中得到基于熵權(quán)的敏感度模型，敏感度值與單調(diào)性、相關(guān)性和魯棒性等指標(biāo)取值呈正相關(guān).敏感度值越高時(shí)，說明該指標(biāo)對(duì)機(jī)械密封摩擦學(xué)行為越敏感.

2.3 端面振動(dòng)敏感特征指標(biāo)構(gòu)建

機(jī)械密封端面磨損的振動(dòng)加速度數(shù)據(jù)采集試驗(yàn)分別采集了端面X、Y和Z方向4個(gè)性能退化階段的振動(dòng)加速度原始波形數(shù)據(jù).X1 234代表了靜環(huán)端面X方向性能退化周期的振動(dòng)加速度原始波形數(shù)據(jù)，Y1 234代表了靜環(huán)端面Y方向性能退化周期的振動(dòng)加速度原始波形數(shù)據(jù)，Z1 234代表了靜環(huán)端面Z方向性能退化周期的振動(dòng)加速度原始波形數(shù)據(jù)，每組數(shù)據(jù)包含4 800組數(shù)據(jù)文件.首先，分別提取X1 234、Y1 234和Z1 2343組振動(dòng)波形信號(hào)的統(tǒng)計(jì)學(xué)特征、頻域特征、變模態(tài)分解和小波包分解后的熵特征，共得到39個(gè)特征構(gòu)成原始特征向量集，并計(jì)算出特征向量值；然后，將39個(gè)特征向量值采用式(7)反正切歸一化 處理，消除各特征值大小差異，利用基于熵權(quán)的敏感度特征篩選方法計(jì)算各特征參數(shù)的敏感度值.

式中，x?表示反正切歸一化后的特征向量的敏感度值， a rctan表示函數(shù)返回此數(shù)值表達(dá)式的反正切值.

39個(gè)特征參數(shù)的敏感度值計(jì)算結(jié)果如圖4所示，根據(jù)敏感度值大小篩選出敏感度最高的3個(gè)敏感度指標(biāo).敏感度最高的3個(gè)端面振動(dòng)特征指標(biāo)列于表6中，其中模糊熵最敏感，代表隨密封端面退化程度的增大，振動(dòng)信息的不確定程度升高；其次是均值，作為有量綱時(shí)域特征指標(biāo)，均值是對(duì)振動(dòng)信號(hào)波動(dòng)狀況的直觀體現(xiàn)，可以反映機(jī)械密封的摩擦學(xué)狀態(tài)；最后是排列熵，可反映機(jī)械密封摩擦學(xué)狀態(tài)時(shí)間序列隨機(jī)性、復(fù)雜度以及振動(dòng)信號(hào)的突變特征.

表6 敏感特征Table 6 Sensitive features

Fig.4 Sensitivity distribution of 39-dimensional original characteristic parameters圖4 39維原始特征參數(shù)敏感度分布

3 端面振動(dòng)加速度敏感特征參數(shù)隨摩擦學(xué)狀態(tài)變化規(guī)律

3.1 端面振動(dòng)加速度敏感特征參數(shù)隨端面磨損程度變化的規(guī)律

密封端面形狀各異的微凸體對(duì)機(jī)械密封的摩擦學(xué)狀態(tài)有著顯著影響.正常情況下，機(jī)械密封處在混合摩擦學(xué)狀態(tài)；端面磨損會(huì)改變微凸體曲率半徑，端面摩擦學(xué)狀態(tài)隨著微凸體曲率半徑的變化而變化.本試驗(yàn)中研究試圖揭示端面振動(dòng)加速度特征參數(shù)隨磨損程度增加的變化規(guī)律.

采用均值、模糊熵和排列熵作為敏感特征參數(shù)，研究其在軸向、徑向和切向3個(gè)維度隨機(jī)械密封退化周期的摩擦學(xué)狀態(tài)變化趨勢(shì).圖5所示為軸向、徑向和切向敏感特征退化曲線，樣本編號(hào)1~1 200為1#動(dòng)環(huán)的摩擦學(xué)特性，1 201~2 400為2#動(dòng)環(huán)的摩擦學(xué)特性，2 401~3 600為3#動(dòng)環(huán)的摩擦學(xué)特性，3 601~4 800為4#動(dòng)環(huán)的摩擦學(xué)特性.

Fig.5 Degradation curves of axial，radial and tangential sensitive features: (a) fuzzy entropy,(b) mean value and (c) permutation entropy圖5 軸向、徑向和切向敏感特征退化曲線：(a) 模糊熵，(b) 均值，(c) 排列熵

由圖5(a)、(b)和(c)可以看出，隨著動(dòng)環(huán)端面磨損程度的加劇，均值、模糊熵以及排列熵均呈現(xiàn)上升趨勢(shì).摩擦副的摩擦學(xué)狀態(tài)從性能退化周期的I階段的混合摩擦學(xué)狀態(tài)逐步過渡到性能退化周期的II~IV階段的邊界摩擦學(xué)狀態(tài)；在邊界摩擦學(xué)狀態(tài)下，隨著磨損程度增加，端面微凸體的數(shù)量增多，端面軸向、徑向和切向3個(gè)方向的摩擦力均會(huì)增大，進(jìn)而引起端面振動(dòng)加速度增加.如圖5(a)所示，隨著端面磨損程度的增大，端面軸向、徑向和切向3個(gè)方向上的模糊熵變化趨勢(shì)基本一致并呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，其中切向模糊熵對(duì)磨損程度變化較敏感；在性能退化周期的III階段前期，3個(gè)方向的模糊熵呈現(xiàn)了寬幅振蕩，隨后穩(wěn)定上升.如圖5(b)所示，在性能退化周期的I~II階段，端面磨損程度變化較小，均值變化趨勢(shì)不明顯；端面性能退化程度到III和IV階段時(shí)，均值比I和II階段有了顯著的增大，但均值在III階段呈現(xiàn)寬幅振蕩狀態(tài).如圖5(c)所示，隨著端面磨損程度的增大，端面軸向、徑向和切向3個(gè)方向上的排列熵變化趨勢(shì)基本一致并呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，但端面徑向排列熵比軸向和切向排列熵更敏感；在性能退化程度的II和III階段，軸向、徑向和切向3個(gè)方向的模糊熵均呈現(xiàn)一定程度的寬幅振蕩現(xiàn)象.

綜上所述，隨著端面磨損程度的增加，端面摩擦學(xué)狀態(tài)從混合摩擦狀態(tài)逐步過渡到邊界摩擦學(xué)狀態(tài)，端面振動(dòng)加速度模糊熵、均值和排列熵對(duì)于端面磨損程度的增加均表現(xiàn)出了較好的敏感性，其中模糊熵相比較均值和排列熵對(duì)于端面磨損程度的變化更敏感.

3.2 端面振動(dòng)加速度敏感特征參數(shù)隨轉(zhuǎn)速變化的規(guī)律

基于1.3節(jié)中機(jī)械密封轉(zhuǎn)速變化時(shí)的端面振動(dòng)加速度數(shù)據(jù)，分別計(jì)算X56 789、Y56 789和Z56 789對(duì)應(yīng)的軸向、徑向和切向模糊熵、均值和排列熵.X56 789代表了靜環(huán)端面X方向5個(gè)轉(zhuǎn)速下的振動(dòng)加速度原始波形數(shù)據(jù)，Y56 789代表了靜環(huán)端面Y方向5個(gè)轉(zhuǎn)速下的振動(dòng)加速度原始波形數(shù)據(jù)，Z56 789代表了靜環(huán)端面Z方向5個(gè)轉(zhuǎn)速下的振動(dòng)加速度原始波形數(shù)據(jù)，每組數(shù)據(jù)包含3 500組數(shù)據(jù)文件.

混合摩擦狀態(tài)下的機(jī)械密封摩擦副周向摩擦力(極坐標(biāo)系)隨著轉(zhuǎn)速的升高而增加，靜環(huán)端面振動(dòng)加速度也會(huì)隨著轉(zhuǎn)速的升高而增加.圖6所示為機(jī)械密封端面振動(dòng)敏感特征參數(shù)隨著機(jī)械密封轉(zhuǎn)速變化的曲線.如圖6(a~c)所示，隨著轉(zhuǎn)速的增大，模糊熵值由0.1增大至0.7左右，均值由0.1 m/s2增大至0.8m/s2左右，排列熵由0.7增大至6左右；模糊熵、均值和排列熵隨著轉(zhuǎn)速的升高呈現(xiàn)線性增加趨勢(shì)，并且在軸向、徑向和切向3個(gè)方向上的變化趨勢(shì)基本一致.

Fig.6 Change curve of face sensitive characteristic parameters with rotational speed: (a) fuzzy entropy,(b) mean value and (c) permutation entropy圖6 端面敏感特征參數(shù)隨轉(zhuǎn)速變化曲線：(a)模糊熵，(b)均值，(c)排列熵

圖7所示為端面振動(dòng)波形基頻幅值隨轉(zhuǎn)速變化的曲線.機(jī)械密封轉(zhuǎn)速?gòu)? 000增大至1 150、1 350、1 650和2 100 r/min時(shí)，對(duì)應(yīng)的計(jì)算振動(dòng)加速度波形基頻為20、23、27、33和42 Hz的幅值，繪制成端面振動(dòng)波形基頻幅值-轉(zhuǎn)速曲線.如圖7所示，端面振動(dòng)波形基頻幅值隨著轉(zhuǎn)速的升高而增加，其中徑向振動(dòng)波形基頻幅值相對(duì)切向和軸向振動(dòng)波形基頻幅值變化更敏感.

Fig.7 Variation curve of fundamental frequency amplitude of face vibration waveform changing with rotational speed圖7 端面振動(dòng)波形基頻幅值隨轉(zhuǎn)速變化曲線

綜上所述，機(jī)械密封混合摩擦狀態(tài)下，靜環(huán)端面振動(dòng)模糊熵、均值和排列熵隨著轉(zhuǎn)速的升高呈現(xiàn)線性增加；端面振動(dòng)波形基頻幅值隨著轉(zhuǎn)速的升高而增加，且徑向振動(dòng)波形基頻幅值變化更敏感.

3.3 機(jī)械密封失效評(píng)價(jià)方法

采用某輸油站預(yù)防性維修更換的密封環(huán)作為試驗(yàn)器材，按照磨損程度定義為2#動(dòng)環(huán)、3#動(dòng)環(huán)和4#動(dòng)環(huán)，其測(cè)量的粗糙度分別為0.09、0.20和0.32 μm.眾所周知，密封環(huán)在運(yùn)行中無法測(cè)量端面粗糙度并進(jìn)行健康狀態(tài)評(píng)價(jià).

基于前述端面模糊熵、均值和排列熵3類敏感特征參數(shù)摩擦學(xué)狀態(tài)變化規(guī)律研究成果，將密封環(huán)性能退化周期I、II、III和IV階段的軸向、徑向及切向的敏感特征值進(jìn)行K中心聚類分析[26]，計(jì)算出每個(gè)性能退化階段的三維坐標(biāo)聚類中心，分別作為機(jī)械密封失效模糊熵評(píng)價(jià)準(zhǔn)則、均值評(píng)價(jià)準(zhǔn)則和均值評(píng)價(jià)準(zhǔn)則，如圖8、圖9和圖10所示；實(shí)時(shí)計(jì)算軸向、徑向和切向的三維敏感特征值，計(jì)算該矢量坐標(biāo)與退化狀態(tài)對(duì)應(yīng)的聚類簇心的歐氏距離，采用最近鄰原則匹配確定當(dāng)前退化等級(jí)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械密封性能退化狀態(tài)評(píng)價(jià).

Fig.9 Mechanical seal performance degradation mean value evaluation criteria圖9 機(jī)械密封性能退化均值評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

Fig.10 Mechanical seal performance degradation permutation entropy evaluation criteria圖10 機(jī)械密封性能退化排列熵評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

采用聚類方法建立機(jī)械密封性能退化評(píng)價(jià)準(zhǔn)則應(yīng)該滿足所有聚類簇心應(yīng)盡量分布在對(duì)角線方向上，理想情況下應(yīng)該成1條直線[27].從圖8~10對(duì)比分析看出，機(jī)械密封性能退化排列熵和模糊熵評(píng)價(jià)準(zhǔn)則難以區(qū)分機(jī)械密封性能退化的第I~III階段，且聚類簇心不滿足分布在1條對(duì)角線上的要求；機(jī)械密封性能退化均值評(píng)價(jià)準(zhǔn)則可以明確區(qū)分第II~IV階段，且聚類簇心分布在對(duì)角線上，滿足性能退化評(píng)價(jià)準(zhǔn)則要求，本文中選擇均值評(píng)價(jià)準(zhǔn)則實(shí)現(xiàn)機(jī)械密封性能退化評(píng)價(jià).

綜上所述，機(jī)械密封的失效評(píng)價(jià)方法為實(shí)時(shí)計(jì)算軸向、徑向和切向的端面振動(dòng)原始數(shù)據(jù)均值的三維矢量坐標(biāo)，計(jì)算該坐標(biāo)與退化狀態(tài)對(duì)應(yīng)簇心的歐氏距離，采用最近鄰匹配原則匹配機(jī)械密封的退化狀態(tài)；當(dāng)機(jī)械密封性能退化等級(jí)達(dá)到IV級(jí)預(yù)示著機(jī)械密封可能失效.

4 結(jié)論

a.利用端面振動(dòng)加速度的測(cè)量方法，在機(jī)械密封補(bǔ)償環(huán)鑲嵌加速度傳感器，采集到的振動(dòng)加速度敏感特征參數(shù)隨摩擦學(xué)狀態(tài)變化而變化，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械密封的摩擦學(xué)行為監(jiān)測(cè).

b.隨著端面磨損程度的增加，端面摩擦學(xué)狀態(tài)從混合摩擦狀態(tài)逐步過渡到邊界摩擦學(xué)狀態(tài)，端面振動(dòng)加速度模糊熵、均值和排列熵對(duì)于端面磨損程度的增加均表現(xiàn)出了較好的敏感性，其中模糊熵相比較均值和排列熵對(duì)于端面磨損程度的變化更敏感.

c.機(jī)械密封混合摩擦狀態(tài)下，靜環(huán)端面振動(dòng)模糊熵、均值和排列熵隨著轉(zhuǎn)速的升高呈現(xiàn)線性增加；端面振動(dòng)波形基頻幅值隨著轉(zhuǎn)速的升高而增加，且徑向振動(dòng)波形基頻幅值變化更敏感.

d.嘗試建立了機(jī)械密封性能退化均值評(píng)價(jià)準(zhǔn)則，計(jì)算靜環(huán)端面振動(dòng)均值的軸向、徑向和切向三維矢量坐標(biāo)與評(píng)價(jià)準(zhǔn)則對(duì)應(yīng)4個(gè)簇心的歐氏距離，采用最近鄰匹配原則匹配機(jī)械密封的退化狀態(tài)，可實(shí)現(xiàn)機(jī)械密封性能退化狀態(tài)評(píng)價(jià).